Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника
Посмотреть оригинал

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ,ОБРАЗУЮЩИХ ОГРАНИЧЕННЫЕ ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ

Ограниченная растворимость наиболее часто встречается в металлических сплавах. При образовании ограниченных твердых растворов различают два типа диаграмм состояния: с эвтектическим и с перитектическим превращением.

Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику (рис. 39 и 40). Как видно из рис. 39, при температуре tx энергия Гиббса жидкой фазы ниже, чем энергия Гиббса а- и (5-фаз, поэтому выше линии ликвидус асб устойчива лишь жидкая фаза.

Линия айсеб — линия солидус (рис. 39). При температурах ниже линии солидус сплавы обладают меньшей энергией Гиббса в кристаллическом состоянии (рис. 39 и 40): в интервале концентраций of устойчив раствор а (твердый раствор компонента В в А), в интервале концентраций fk — смесь двух фаз а- и {5-растворов и в интервале концентраций К100 одна фаза — (5-раствор (твердый раствор компонента А в В).

Между линиями ликвидус и солидус в равновесии находятся две фазы: а- или (5-твер- дые растворы и жидкая фаза Ж (рис. 39 и 40).

При температурах, соответствующих линии ас, из жидкого сплава выделяются кристаллы a-твердого раствора; а линии сЪ — кристаллы (5-твердого раствора (рис. 40, б). Линии ас и cb не только соответствуют температурам начала кристаллизации сплавов различного состава, но и показывают степень насыщения жидкой фазы компонентами А и В,

Рис. 39. Диаграмма состояния (а) и изменение энергии Гиббса G в зависимости от состава и температуры (в—д) для сплавов с эвтектическим превращением

Кривые охлаждения (а) и диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику

Рис. 40. Кривые охлаждения (а) и диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и эвтектику: а — кривые охлаждения; б — диаграмма состояния

т. е. являются линиями растворимости. Точка d характеризует предельную растворимость компонента В в А, точка е — компонента А в В при температуре /а, а точки / и k характеризуют предельную растворимость соответственно компонент В в А и А в В при нормальной температуре.

Таким образом, линия df характеризует изменение раствори- мостй компонента В в А, а линия ek — изменение растворимости компонента А в В с изменением температуры; эти линии называют линиями предельной растворимости.

Сплав, соответствующий точке с (в нашем случае 55 % В), затвердевает при постоянной температуре t3. При температуре несколько ниже ta жидкий сплав оказывается насыщенным по отношению к обеим фазам (а- и ^-твердым растворам), так как точка с как бы принадлежит сразу двум ветвям ликвидуса (см. рис. 40, б). Поэтому при температуре 4 одновременно с жидким раствором сосуществуют предельно насыщенные кристаллы твердых растворов ad и ре, образующих гетерогенную структуру.

Сплавы, в которых происходит одновременная кристаллизация а- и P-фаз при постоянной и самой низкой для данной системы сплавов температуре, называют эвтектическими.

Структуру, состоящую из определенного сочетания двух (или более) твердых фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкого сплава, называют эвтектикой. Эвтектическая структура в условиях сравнительно высоких степеней переохлаждения состоит из мелких кристаллов обеих фаз (а и Р), так как при одновременной кристаллизации их из жидкого сплава рост каждой из них затрудняется (см. рис. 31, д).

Рассмотрим процесс кристаллизации некоторых сплавов. Сплавы, расположенные левее точки d (см. рис. 40, б) и правее точки е, кристаллизуются так же, как и сплавы с неограниченной растворимостью (см. рис. 37).

После затвердевания сплавы, лежащие левее точки d, состоят только из кристаллов a-твердого раствора, а сплавы, лежащие правее точки k, — из кристаллов ^-твердого раствора (см. рис. 39, а и 40, б).

Рассмотрим теперь кристаллизацию доэвтектического сплава 2 (см. рис. 40). При достижении температуры несколько ниже /4 в жидкости образуются кристаллы твердого раствора а. Процесс кристаллизации а-раствора будет происходить в интервале температур, так как система имеет одну степень свободы (С = 2 + 1 — -2=1).

Процесс выделения a-кристаллов продолжается до температуры t3. Состав кристаллов твердого раствора а в условиях равновесия определяется точками пересечения коноды с линией солидус, а остающейся жидкости — точками пересечения коноды с линией ликвидус. Так, при температуре tb составу жидкой фазы соответствует точка т, а составу твердой фазы — точка п.

Количество жидкой и твердой фаз определяют по правилу отрезков. При достижении эвтектической температуры t3 кристаллы а достигают предельной концентрации (точка d) В в А, а жидкая фаза получает эвтектический состав (точка с). В этих условиях при температуре /э из жидкой фазы одновременно кристаллизуются предельно насыщенные растворы а и $е с образование эвтектики

Процесс кристаллизации эвтектики протекает при постоянной температуре t3 (см. рис. 40, а), так как согласно правилу фаз при одновременном существовании трех фаз постоянного состава (Жс, ccd и ре) система нонвариантна (С = 2 + 1 — 3 = 0). Следовательно, после затвердевания сплав состоит из первичных кристаллов а и эвтектики (а + Р). Любой доэвтектический сплав, соответствующий составу, находящемуся между точками due, имеет те же структурные составляющие (см. рис. 40, б).

На рис. 31, г показана микроструктура доэвтектического сплава РЬ—Sb, кристаллизующегося так же, как сплав 2 (см. рис. 40, б). Эвтектический сплав (точка с на рис. 40, б) начинает кристаллизоваться при температуре несколько ниже t3. Кристаллизация эвтектического сплава протекает при постоянной температуре (см. рис. 40, а), и после затвердевания сплав состоит только из эвтектики (а + Р).

Кристаллизация заэвтектических сплавов (лежащих правее точки с), протекает так же, как и доэвтектических сплавов. Однако вместо кристаллов a-твердого раствора из жидкой фазы будут выделяться кристаллы твердого раствора р. Структура заэвтектических сплавов сотоит из первичных кристаллов P-фазы и эвтектики а + Р (см. рис. 31, е).

Область диаграммы состояния, расположенная между кривыми растворимости df и ek, принадлежит двухфазному состоянию — а -f p-твердые растворы. В доэвтектических и заэвтектических сплавах фазы с понижением температуры меняют свой состав. Это связано с распадом кристаллов а- и (5-твердых растворов. При понижении температуры из a-фазы выделяется Рц-фаза[1], а из Р-фазы выделяется ап-фаза. Состав a-фазы изменяется по линии df, а р-фазы — по линии ek. После окончательного охлаждения доэвтектические сплавы будут иметь структуру а/ + эвтектика (а/ Рь) + Рн и заэвтектические сплавы pft + эвтектика (a, -f + Рл) + а/ (см. рис. 31).

Если концентрация выбранного сплава находится между точками / и d, то в таком сплаве при температурах ниже линии df из a-твердого раствора выделяется рп-фаза. При распаде р-фазы в процессе охлаждения, т. е. ниже линии ek, выделяется ац-фаза.

Разберем на примере сплава 1 (см. рис. 40, б) превращения, связанные с распадом твердого раствора, вследствие уменьшения растворимости компонента В в компоненте А с понижением температуры.

Сплав 1 после окончания затвердевания (ниже температуры 12) состоит только из кристаллов a-твердого раствора. При дальнейшем охлаждении по достижении температуры t3 твердый раствор а, оказывается насыщенным компонентом В; при более низких температурах растворимость второго компонента уменьшается, поэтому из а-раствора начинает выделяться избыточный компонент в виде кристаллов рп.

При температурах ниже t3 сплав состоит из двух фаз: кристаллов a-твердого раствора и вторичных кристаллов р-твердого раствора. Состав кристаллов твердого раствора а с понижением температуры изменяется по линии df, а кристаллов твердого раствора Р — по линии ek; например, при температуре t6 состав а-фазы определяется точкой пг, а состав р-фазы — точкой и2(см. рис. 40, б).

После окончательного охлаждения сплав состоит из кристаллов a-твердого раствора состава, отвечающего точке /, и избыточных (вторичных) кристаллов p-твердого раствора состава точки k (см. рис. 40 и 31, б). Количественное соотношение между а- и P-фазами может быть установлено по правилу отрезков.

Быстрым охлаждением можно подавить распад твердого раствора и переохладить его до низких температур. Процесс нагрева выше линии df (или ek) и последующее быстрое охлаждение, позволяющее задержать выделение избыточной фазы и зафиксировать высокотемпературное состояние. называется закалкой (без полиморфного превращения).

Пересыщенный твердый раствор а неустойчив и при нагреве, а в некоторых случаях и при нормальной температуре начинает распадаться с выделением дисперсных частиц избыточной фазы.

На начальных стадиях распада в пересыщенном а-твердом растворе образуются объемы (сегрегации), обогащенные компонентом В, получившие название зоны Гинье—Престона (ГП).

Зона ГП-1 представляет собой диски диаметром 4—6 нм и толщиной несколько атомных слоев при сохранении кристаллической решетки исходного a-твердого раствора.

При дальнейшем развитии процесса распада зоны ГП-1 растут и размещение атомов в них становится упорядоченным (ГП-2), близким к кристаллической решетке избыточной фазы. При повышении температуры (или увеличении длительности выдержки при данной температуре) на базе зон ГП (или самостоятельно после растворения зон) образуются зародыши (5-фазы и происходит их рост.

Нередко при распаде твердого раствора вместо стабильной (5-фазы образуется метастабильная (5'-фаза, которая по структуре или по составу является промежуточной между а- и (5-фазами. Далее метастабильная (5'-фаза переходит в стабильную (5-фазу. Следовательно, распад пересыщенного а-раствора происходит по ступеням, при малых структурных (концентрационных) различиях между отдельными стадиями превращения, через метастабильные фазы.

Решетка метастабильной (5'-фазы на первых этапах выделения когерентно связана с матрицей. При повышенных температурах когерентность нарушается и (5'-фаза «отрывается» от а-раствора.

Зоны ГП или дисперсные частицы избыточной (5'- и (5-фаз повышают прочность и твердость сплава (см. с. 116).

Распад пересыщенного твердого раствора, полученного путем закалки, связанный с упрочнением сплава, называют дисперсионным твердением, или дисперсионным старением.

Образовавшиеся при старении дисперсные частицы избыточных фаз имеют пластинчатое строение.

При нагреве сплава в области а -|- (5-фаз выделения (5ц-фазы превращаются в сферические и растут. Это приводит к уменьшению межфазной поверхности и понижению свободной энергии. Образование сферических частиц, например, из пластинчатых выделений называют сфероидизацией, укрупнение выделений — коагуляцией.

Коагуляция и сфероидизация частиц упрочняющей фазы сопровождаются разупрочнением сплава и повышением его пластичности.

Термическую обработку, вызывающую полный распад твердого раствора, коагуляцию и сфероидизацию избыточной фазы, а как следствие этого, разупрочнение сплава, называют отжигом.

Избыточная (5-фаза чаще представляет собой химическое соединение.

А. А. Бочвар показал, что существует определенная связь между типом диаграммы состояния и технологическими свойствами.

Схема ликвации по плотности (К. П. Бунин)

Рис. 41. Схема ликвации по плотности (К. П. Бунин)

Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и испытывающих пери- тектическое превращение

Рис. 42. Диаграмма состояния сплавов, образующих ограниченные твердые растворы и испытывающих пери- тектическое превращение

Сплавы — твердые растворы имеют низкие литейные свойства (плохая жидкотекучесть, склонность к образованию рассеянной пористости и трещинам). Для получения высоких литейных свойств концентрация компонентов в литейных сплавах должна превышать их максимальную растворимость в твердом состоянии (см. рис. 40, б, точка d) и приближаться к эвтектическому составу (точка с). Эвтектические сплавы обладают хорошей жидко- текучестью, и усадка в них проявляется в виде концентрационной раковины.

Сплавы, лежащие левее точки d (предельной растворимости в твердом растворе) и состоящие в основном из a-фазы, пластичны и поэтому хорошо прокатываются, куются, штампуются, прессуются и т. д. (см. рис. 40, б). Пластичность сильно снижается при появлении в структуре эвтектики. Поэтому в деформируемых сплавах максимум растворимости при эвтектической температуре (см. рис. 40, точка d) является верхним желательным пределом содержания компонентов.

  • [1] Кристаллы, выделившиеся из твердого раствора, называют вторичнымии обозначают в данном случае символами ац и Рц.
 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы